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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2022.tde-27052022-084749
Document
Auteur
Nom complet
Julia Cristina Soares Sousa
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2022
Directeur
Jury
Agopian, Paula Ghedini Der (Président)
Gimenez, Salvador Pinillos
Herrera, Hugo Daniel Hernandez
Titre en portugais
Projeto de um amplificador operacional de transcondutância de dois estágios utilizando transistores de estruturas de nanofolha de silício.
Mots-clés en portugais
Amplificador operacional de transcondutância
Gm/ID
MOSFET
Nanofolha de porta ao redor
Resumé en portugais
Os transistores de efeito de campo de Metal-Óxido-Semicondutor (Metal-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistor - MOSFET) vem sendo evoluídos desde a década de 70, com a adição de muitas soluções de engenharia para mitigar os efeitos de canal curto. O advento das lâminas de Silício-Sobre-Isolante (SOI), técnicas de tensionamento do silício, uso de dielétricos High-K e dispositivos de múltiplas portas (Multiple Gate FETs - MuGFETs) foram algumas das soluções implementadas para permitir a redução das dimensões e melhoria da operação ao longo do tempo. Dentre os MuGFETs, destacam-se o FETs de aleta (FinFET), que vem sendo amplamente utilizado comercialmente desde a década passada, e os mais avançados transistores de nanofolhas de porta ao redor (Gate-All- Around Nanosheet - GAA-NSH). Neste trabalho estudou-se dispositivos GAANSH, levantando suas características analógicas e aplicando-os num projeto de amplificador de transcondutância de dois estágios (OTA). Os dispositivos foram fabricados no imec e caracterizados eletricamente e a partir das curvas experimentais, uma Lookup Table (LUT) foi criada, com as tensões, correntes, e demais parâmetros analógicos extraídos para a avaliação do projeto do OTA. Uma LUT foi criada para cada uma das temperaturas estudadas, a 25 oC, 100 oC e 200 oC. Utilizando a metodologia de projeto de gm/ID, o OTA foi projetado, utilizando o mesmo valor de gm/ID para os transistores que compunham o caminho de sinal, de 5V-1, 8V-1 e 11 V-1. O GAA-NSH apresentou resultados que corroboram o comportamento esperado para um MOSFET em termos de tradeoffs entre o ganho de tensão do dispositivo, o produto ganho-banda (GBW) e potência elétrica consumida, com um crescimento do ganho de tensão proporcionalmente ao gm/ID (65,6 dB a 89,1 dB), enquanto apresenta um decrescimento do GBW (496,7 MHz a 255,9 MHz). O projeto do GAA-NSH apresenta uma melhora de características elétricas em comparação ao do FinFET, por apresentar um maior ganho de tensão para o mesmo gm/ID e número de aletas (71,8 dB contra 67,61 dB), enquanto utiliza menos corrente no segundo estágio e consome menos potência (544,5 W contra 1,41 mW). O GAA-NSH também é menor que o FinFET em dimensões, tendo uma largura de aleta menor (15nm contra 20nm) e comprimento de canal menor (100nm contra 150nm), enquanto apresenta menor influência de efeitos de canal curto. Quando comparado aos transistores de tunelamento (TFET), podemos notar que o GAANSH apresenta uma grande vantagem em termos de frequência de operação (GBW de 361,3 MHz contra 718kHz), mas ao custo de um grande consumo de potência (544,5 W contra 9 W ) e menor ganho de tensão (71,8 dB contra 88 dB). O GAA-NSH se mostrou uma tecnologia superior em termos de performance analógica em relação ao seu antecessor evolutivo (FinFET), porém é mais apropriada para utilização em situações que exigem alto ganho e alta frequência de operação. Por fim, a análise em temperatura demonstrou que, em uma análise para polarização de tensão de porta anterior à região invariante com a temperatura (Zero Temperature Coefficient ZTC), obtém-se valores mais altos de tensão dreno-fonte (VDS) e tensão de overdrive (VOV = VGS - VT) em relação à temperatura ambiente, porém mais baixos de tensão de porta-fonte (VGS). O ganho de tensão do circuito sofre uma grande degradação com o aumento de temperatura (72,3 dB para 60,5 dB), uma consequência da diminuição do ganho intrínseco do transistor (gm/gDS). O GBW diminui levemente devido à queda do ganho (796 MHz para 661 MHz), o que é levemente compensado pelo deslocamento do polo dominante do OTA para frequências mais altas.
Titre en anglais
Project of a two-stage operational transconductance amplifier using gate-all-around silicon nanosheets.
Mots-clés en anglais
Gate-all-arround nanosheet
Gm/ID
MOSFET
Operational transconductance amplifier
Resumé en anglais
The Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) devices have been evolving since the 70s, with many added engineering solutions to decrease the short channel effects. The usage of Silicon-On-Insulator (SOI) substrates, silicon straining, and multiple gate FETs (MuGFETs) were some of the implemented solutions to allow the decreasing dimensions and improvement of electrical operation. Between the MuGFETs we can highlight the FinFETs, which were broadly commercially used on the past decade, and the more recent gateall- around nanosheet transistors (GAA-NSH). This work studies GAA-NSH devices, by discussing their analog characteristics and testing them on a twostage operational transconductance amplifier (OTA) project. The imec fabricated devices had their DC electric characteristic curves measured. From the experimental curves, a lookup table (LUT) was created for the voltages, currents and other analog parameters extracted in order to evaluate the OTA performance. A LUT was created for each studied temperature, at 25 oC, 100 oC and 200 oC. Using the gm/ID project design method, the OTA was designed using the same gm/ID values for the signal path transistors, of 5V-1, 8V-1 and 11 V-1. The GAA-NSH presented the expected tradeoffs of MOSFET devices, between amplifier voltage gain, frequency behavior and power consumption, with an increase of voltage gain proportional to gm/ID (65,6 dB to 89,1 dB), while the Gain Bandwidth Product (GBW) decreases (496,7 MHz to 255,9 MHz). The GAA-NSH project presents an improvement of electrical characteristics in comparison to the FinFET project, presenting a larger voltage gain for the same gm/ID and number of fins (71,8 dB vs. 67,61 dB), while utilizing less current for the second stage and less power consumption (544,5 W vs. 1,41 mW). The GAA-NSH is also smaller than the FinFET in dimensions, with smaller fin width (15nm vs. 20nm) and channel length (100nm vs. 150nm), while showing a comparable performance in terms of SCE influence. When compared to the TFET technology, the GAA-NSH presents a large advantage in terms of operation frequency (GBW of 361,3 MHz vs. 718kHz), but at the cost of a large power consumption (544,5 W vs. 9 W ) and smaller voltage gains (71,8 dB vs. 88 dB). Finally, the GAA-NSH presents improvement in terms of analog performance when compared to its evolution predecessor (FinFET), however, it is better suited for situations that demand both high gains and bandwidth. Finally, temperature analysis shows that the currents and voltages variations, when polarized previously to the zero temperature coefficient region (ZTC), results in a circuit with increased drain-source voltage (VDS) and overdrive voltage (VOV = VGS - VT), but lower gate-source (VGS) values. The opposite variation between VOV and VGS is a consequence of the accentuated decrease of threshold voltage (VT) with temperature. The circuit voltage gain shows a large degradation (72,3 dB to 60,5 dB), due to the decreasing of intrinsic gain (gm/gDS) of the transistor. This degradation is due to the variation of the gm/ID and VOV polarization, that places gm/gDS on a region that rapidly decreases with temperature. GBW decreases a bit due to the gain decreasing (796 MHz to 661 MHz), which is slightly compensated for by the main pole shifting to higher frequencies.
 
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Date de Publication
2022-05-27
 
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